DE2552643B2

DE2552643B2 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2552643B2
Application number: DE2552643A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tokorozawa Saitama Kanda; Kageyoshi Tokio Katakura; Takaji Tokorozawa Saitama Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1974-11-25
Filing date: 1975-11-24
Publication date: 1978-07-20
Also published as: JPS5160491A; DE2552643C3; JPS5550438B2; US4044273A; DE2552643A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Derartige Ultraschallwandler lassen sich sowohl als Ultraschallsender wie auch als Ultraschallempfänger einsetzen.

Man unterscheidet zwischen Ultraschallwandlern des Ringtyps und solchen des Flächentyps. In Fig. 1 ist ein bekannter Ultraschallwandler 1 des Ringtyps gezeigt, der an einer beliebigen Stelle mit einer Elektrode 2 versehen ist. Als piezoelektrisches Material ist bei dem Ultraschallwandler 1 beispielsweise gesintertes Blei-Titanat-Zirkonat verwendet, und der Ring mag einen Radius r von 10 cm und eine Breite D von 1 mm haben.

Unter der Voraussetzung, daß die Breite D des Rings wesentlich kleiner ist als der Durchmesser Ir

ίο des Ultraschallwandlers (was bei den oben angegebenen Weiten der Fall ist), sind alle Wellenfronten auf der Achse dieses ringförmigen Ultraschallwandlers in Phase und verstärken daher einander durch Interferenz. Demgegenüber weisen Wellenfronten an Stellen außerhalb der Wandlerachse zueinander entgegengesetzte Phasen auf, so daß sie aufgrund der Interferenz einander auslöschen. Ein Ultraschallwandler des Ringtyps vermag daher längs der Wandlerachse ein dünnes Ultraschall-Strahlungsbündel zu erzeugen.

Daher eignet sich ein derartiger Ultraschallgeber zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit kleiner Bündelbreite. Eines der Anwendungsgebiete für derartige Ultraschallwandler besteht in der Diagnose, wo es beispielsweise darauf ankommt, in einer Eindringtiefe von 30 cm ein Strahlenbündel mit einer Breite von etwa 1 bis 3 mm zur Verfügung zu haben, um eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen.

Wegen der oben erläuterten hohen Richtwirkung ist der Ultraschallwandler des Ringtyps demjenigen des Flächentyps, bei dem die abstrahlende Fläche von einer flachen oder konkaven Scheibe gebildet wird, weit überlegen. Dagegen weist der Ultraschallwandler des Ringtyps gegenüber dem Ultraschallwandler des Flächentyps die nachstehenden Nachteile auf, deretwegen er in der Praxis nur wenig Verwendung gefunden hat:

(1) Wegen der durch die sphärische Ausbreitung hervorgerufenen Dämpfung ist die Empfindlichkeit bei großen Eindringtiefen nicht zufriedenstellend.

(2) Bei der Arbeit in gewissen Ausbreitungsmedien wird zwischen den Ultraschallwandler und das Medium eine Paste gebracht; ist der Kontakt zwischen dem Ultraschallwandler und dem Ausbreitungsmedium infolge von Luftblasen und dergleichen in der Paste schlecht, so wird die Ausrichtung des Strahlenbündels gestört.

(3) Die Strahlungscharakteristik weist Nebenkeulen hoher Amplitude auf.

Aus der deutschen Offenlegungsschrif 12 025 794 ist ein Ultraschallwandler der eingangs angegebenen Gattung bekannt. Dieser Ultraschallwandler stellt insofern einen Mischtyp aus dem bekannten Ultraschallwandler des Ringtyps und dem des Flächentyps dar, da er mit einer sattelförmigen Wandlerfläche arbeitet, so daß sich in Richtung ihrer konkaven Wölbung eine Bündelung, in Richtung ihrer konvexen Wölbung dagegen eine Streuung der von der Fläche abgestrahlten Ultraschallwellen ergibt. Die durch die konkave Wölbung hervorgerufenen Konvergenzpunkte der Ultraschallwellen beschreiben dabei einen geometrischen Ort, der einen der konvexen Wölbung der Wandlerfläche entsprechend verlaufenden Bogen bildet. Bei Verwendung dieser Flächenkonfiguration als Ultraschallsender verlaufen die Ultraschallwellen durch den genannten Bogen strahlenförmig nach außen, wodurch die bei der bekannten Vorrichtung beabsichtigte Streuung der Energie er-

reicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler zu schaffen, der außer der ausgezeichneten Richtwirkung des Ultraschallwandlers vom Ringtyp eine zufriedenstellende Empfindlichkeit bei großen Eindringtiefen besitzt und bei dem die Strahlenbündelausrichtung ungestört ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach ist die die Ultraschallwellen abstrahlende bzw. aufnehmende Fläche so gestaltet, daß eine Ausbreitungscharakteristik der Ultraschallwellen ähnlich wie bei einem Wandler des Ringtyps erreicht wird, obwohl das aktive Element eine kontinuierliche Fläche ist. Dadurch wird einerseits die hohe Richtwirkung des Ultraschallwandlers vom Ringtyp erreicht, gleichzeitig aber die bei den bekannten Ultraschallwandlern dieses Typs auftretende Nebenkeule und damit die Energiestreuung verringert.

Aus der deutschen Offenlegungsschrif 12144 762 ist ferner eine Vorrichtung bekannt, bei der mehrere ebene Flächenwandler derart angeordnet sind, daß die von ihnen abgestrahlten Ultraschallwellen konvergieren. Zum einen handelt es sich dort jedoch nicht um eine kontinuierliche aktive Fläche, zum anderen findet die Konvergenz nicht längs eines Kreises statt, so daß diese Druckschrift von der Erfindung weit entfernt ist.

Ähnlich handelt es sich auch bei der Anordnung nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 202 989 um mehrere diskrete Wandlerelemente und nicht um eine kontinuierliche ultraschallaktive Fläche, und es wird auch dort mit einer Konvergenz in einem Punkt, nicht in einem Kreis, gerarbeitet. Aus den obigen Darlegungen haben diese bekannten Anordnungen mit punktförmiger Konvergenz nicht die bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler vorhandene hohe Richtwirkung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1, auf die oben schon Bezug genommen wurde, einen Ultraschallwandler des Ringtyps in Aufsicht,

Fig. 2A uns 2B in Aufsicht bzw. im Querschnitt einen Wandler vom Flächentyp, der bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber verwendet wird,

Fig. 3 A und 3B in Aufsicht bzw. im Querschnitt einen weiteren Wandler vom Flächentyp, der beim erfindungsgemäßen Ultraschallgeber verwendet wird,

Fig. 4 ein Diagramm mit Kenn- und Meßwerten für die in den Fig. 2 A und 2B dargestellte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 und 6 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine akustische Linse mit dem Wandler vom Flächentyp zusammenwirkt,

Fig. 7 ein Diagramm mit den Kenn- und Meßwerten für die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 den tatsächlichen konstruktiven Aufbau der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 9 ein Diagramm mit den Kenn- und Meßwerten, die bei dem in Fig. 8 dargestellten Aufbau auftreten,

Fig. 1OA und 1OB weitere Ausführungsformen der Erfindung und

Fig. 11 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 A zeigt in Aufsicht einen konkaven Wandler, der als Wandler vom Flächentyp aasgebildet ist und den Ultraschallgeber bei der vorliegenden Erfindung bildet. In Fig. 2 A ist ein Punkt O₂ der Mittelpunkt eines Kreises C₂ und eines gestricheli dargestellten ^r> Kreises C₂', der den tiefsten Teil der Vorderfläche des Kreises C₂ angibt. In Fig. 2B ist der in Fig. 2A in Aufsicht dargestellte konkave Wandler im Querschnitt dargestellt, wobei die Querschnittsfläche in beliebiger Weise liegt, jedoch durch den Mittelpunkt

ίο C₂ geht. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, wird bei dem konkaven Wandler die Höhe (bezüglich des Kreisbereiches C₂') niedriger, wenn der Abstand vom Mittelpunkt O₂ größer und der Abstand vom Kreis C₂' kleiner wird, wobei die Höhe auf dem Kreis C₁'

fs am niedrigsten ist. Die Höhe wird größer, wenn der Abstand vom Kreis C₂' nach außen hin größer wird bzw. wenn der Abstand vom Kreisumfang C₂ kleiner wird, wobei die Höhe am Kreisumfang des Wandlers am größten ist (die Höhe am Kreisumfang weist dann dieselbe Höhe wie am Mittelpunkt O₂ auf). Mit anderen Worten besitzt der konkave Wandler einen Vorsprung im Mittelpunkt O₂ (wobei die Höhe des Vorsprungs gleich der Höhe des Umfangsbereiches ist). Wie in Fig. 2B dargestellt ist, weist der konkave Wandler die Form eines Rotationskörpers auf, wobei die um die Achse des Wandlers rotierende Bogenfläche aus zwei paarweise angeordneten, konkaven Bögen besteht. In Fig. 2B sind die Achse des Wandlers mit 1-1' und die Krümmungsmittelpunkte der jeweiligen konkaven Bogenflächen mit A und A' bezeichnet. Der geometrische Ort der Krümmungsmittelpunkte bildet vor der Vorderfläche des konkaven Wandlers einen Ring, dessen Achse die Gerade 1-1' ist, die zwischen den Krümmungsmittelpunkten A und A' verläuft (die Pfeile in Fig. 2B sind auf die Vorderseite oder auf die in der Figur von den konkaven Bögen rechts liegende Seite gerichtet, die als Vorderseite des Wandlers bezeichnet werden soll).

Bei einem solchen konkaven Wandler konvergieren die auf der Vorderfläche des Wandlers erzeugten Ultraschallwellen in den Krümmungsmittelpunkten A und A'. Daher entsprechen die Wellenfronten, die von einem Ultraschallgeber mit Krümmungsradien ausgesandt werden, den Wellenfronten, die von einem Wandler vom Richttyp erzeugt werden. Mit anderen Worten erzeugt der Ultraschallgeber, der einen Wandler mit der zuvor beschriebenen konkaven Oberfläche aufweist, einen Ultraschallstrahl, der gleich dem eines Ultraschallgebers ist, bei dem ein

so Wandler vom Ringtyp verwendet wird.

Der in Fig. 2 A dargestellte konkave Wandler wird in der vorgegebenen Form durch Sintern mit Blei-Titanat-Zirconat gebildet, wobei die in Fig. 2B dargestellte Querschnittsdicke 1 mm beträgt. Dieser Wand-

5-5 ler erzeugt Ultraschallwellen mit Frequenzen bis zu 5 MHz.

Der Wandler vom Flächentyp für den erfindungsgemäßen Ultraschallgeber kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß ein allgemein bekanntes piezoelektrisches Material, beispielsweise Blei-Titanat-Zirconat (PZT), Quarz, Lithiumsulfat (LiSO₄), Lithiumniobat (LiNbO₃) usw. in einer vorgegebenen Gestalt geformt sind, und daß Metallelektroden aus Gold oder einem anderen Material auf beiden Oberes flächen des Formkörpers aufgebracht werden.

In Fig. 3 A ist in Aufsicht ein konvexer Wandler vom Flächentyp dargetellt, der den Ultraschallgeber gemäß der Erfindung bildet. In Fig. 3 A ist O₃ der

Mittelpunkt eines Kreises C₃ und eines gestrichelt dargestellten Kreises C₃'. Der auf dem gestrichelt dargestellten Kreis C₃' liegende Bereich weist eine geringere Höhe auf als der Umfangsbereich auf dem Kreis C₃. In Fig. 3B ist der in Fig. 3 A dargestellte konvexe Wandler im Querschnitt gezeigt, wobei die Querschnittsebene willkürlich gelegt ist, jedoch durch den Mittelpunkt O₃ geht. In Fig. 3 B ist die Wandlerachse durch die gerade Linie 1-1' und die Krümmungsmittelpunkte der in den entsprechenden konvexen Bogenflächen durch die Punkte B und B' deutlich gemacht. Wie aus diesen beiden Figuren zu ersehen ist, wird bei dem konvexen Wandler die Höhe vom Umfang zum Mittelpunkt O₃ hin auf der Vorderseite allmählich kleiner. Da sich die Höhe allmählich verringert, werden konvexe Kreisbögen definiert, wie dies aus dem in Fig. 3 B dargestellten Querschnitt ersichtlich ist. Eine durch die Punkte C₃' gekennzeichnete Stelle der konvexen Bögen entspricht Punkten, die in Fig. 3 A auf dem gestrichelt dargestellten Kreis C₃' liegen. Mit anderen Worten ist der konvexe Wandler als Rotationskörper ausgebildet, wobei der Querschnitt des Wandlers mit der Schnittfläche parallel zur Achse des Wandlers und durch sie hindurchgehend eine Rotations-Bogenfläche bildet, die aus zwei, paarweise konvex zueinander angeordneten Bögen besteht. Dementsprechend ist der geometrische Ort der Krümmungsmittelpunkte B und B' der Rotationsbogenfläche auf der Rückseite des Wandlers vom konvexen Flächentyp ein Ring hinter der Rückseite, jo wobei die Achse des Ringes mit der Linie 1-1' zusammenfällt, die zwischen den beiden Punkten B und B' verläuft (bezüglich der Definition der Rückseite sei erwähnt, daß die in der Figur dargestellten Pfeile auf die Vorderseite zu gerichtet sind).

Bei einem solchen konvexen Wandler pflanzen sich die auf der Vorderseite erzeugten Ultraschallwellen so fort, als ob sie in den Krümmungsmittelpunkten B und B' ausgesandt wären. Daher wird mit einem solchen konvexen Wandler ein Ultraschallstrahl erzeugt, wie er auch von einem bekannten Wandler vom Flächentyp erzeugt werden würde. Das heißt, der Ultraschallgeber mit dem zuvor beschriebenen konvexen Wandler entspricht dem Ultraschallgeber, bei dem ein Wandler vom Ringtyp verwendet wird.

Der in Fig. 3 A dargestellte Wandler wird in der vorgegebenen Form durch Sintern der gleichen Materialien hergestellt, die auch bei der Herstellung des in F i g. 2 A dargestellten Wandlers verwendet werden. Die Querschnittsdicke eines solchen Wandlers, beträgt ebenfalls 1 mm, und auch die Frequenzen der abgegebenen Ultraschallwellen sind gleich den Frequenzen bei dem in Fig. 2 A dargestellten Wandler.

Die Elektroden sind der Übersichtlichkeit halber bei den in Fig. 2 A und 3 A dargestellten Wandlern nicht eingezeichnet. Sie sind jedoch in der Praxis über und unter dem Umfangsteil aufgebracht.

Anhand der theoretischen, in Fig. 4 dargestellten Kurven wurde festgestellt, daß der Ultraschallgeber mit dem zuvor beschriebenen Wandler vom Flächentyp dem Ultraschallgeber entspricht, bei dem der bekannte Wandler vom Ringtyp verwendet wird. In Fig. 4 sind die Strahlbündel-Breiten und die (strichliniert eingezeichneten) Schalldruckverteilungen an repräsentativen Tiefen in Querrichtung dargestellt. Die BUndenbreitc wird durch eine Breite definiert, bei der sich der Schalldruck bezüglich des auf der Achse des Wandlers auftretenden Schalldrucks um -3 dB verringert. Bei dem dargestellten Beispiel weist der Wandler einen Durchmesser von 20 mm, einen Krümmungsradius der Bogenfläche von 9 mm und die Ultraschallfrequenz 2,25 MHz auf, wobei bei diesem Beispiel der Schallgeber mit dem in Fig. 2 A dargestellten konkaven Wandler vom Flächentyp ausgerüstet ist. In Fig. 4 ist auf der Abszisse der Abstand in Querrichtung in mm und auf der Ordinate der Abstand vom Wandler aufgetragen. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, liegt der wirkliche oder virtuelle Ultraschallgeber vom Ringtyp am Punkt C. Es wird angenommen, daß die Ultraschallwellen von diesem Punkt aus ausgesendet werden. Aus der Figur ergibt sich, daß ein schmales Haupt-Strahlenbündel (das durch ausgezogene Linien dargestellt ist) entlang der Achse des Wandlers gebildet wird.

In den Fig. 5 und 6 sind im Querschnitt Kombinationen eines Wandlers in Form einer flachen Scheibe und einer akustischen Linse dargestellt, die auf der Oberfläche der flachen Scheibe angeordnet ist. Mit diesen Kombinationen können Ultraschallgeber geschaffen werden, die in gleicher Weise wie die Ultraschallgeber arbeiten, die mit den zuvor beschriebenen, in den Fig. 2 A bzw. 3 A dargestellten Wandlern ausgerüstet sind. In Fig. 5 ist ein ebener Wandler 3 vom Flächentyp dargestellt, dessen beide Flächen eben und flach sind. Eine akustische Linse 4 ist auf der einen Fläche eben und weist auf der anderen Fläche dieselbe Rotations-Bogenfläche auf, wie in Fig. 2B. Eine Oberfläche des ebenen Wandlers 3 und die flache Oberfläche der akustischen Linse 4 sind miteinander verklebt.

Die akustische Linse 4 muß aus einem Material bestehen, bei dem die Schallgeschwindigkeit höher ist als die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, in dem sich die akustischen Wellen dann fortbewegen sollen, bzw. in das die akustischen Wellen abgegeben werden sollen. Aus diesem Grunde wird für das Material der akustischen Linse 4 Aluminium, Messing, Nickel, Acryl-Kunststoff, Bakelite usw. verwendet. Diese Materialien können in relativ einfacher Weise bearbeitet werden, so daß die Oberflächen mit dei vorgegebenen Gestalt ausgebildet werden können.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Schallgeber werder ebene Ultraschallwellen von dem Wandler 3 in Form einer flachen Scheibe erzeugt, sie laufen dann durch die akustische Linse 4, wobei die Wellenfronten danach die Form aufweisen, wie sie bei dem in der F i g. 2 A und 2 B dargestellten Wandler auftreten. Au! denselben Gründen, die bereits im Zusammenhang mit den Fig. 2 A und 2B erläutert wurden, wird voi der akustischen Linse 4 tatsächlich eine Quelle vorr Ringtyp gebildet.

Der Ultraschallgeber gemäß Fig. 6 weist den glei chen Wandler 3 in Form einer flachen Scheibe wi< in Fig. 5 sowie eine akustische Linse 5 auf, derei Oberfläche flach und deren andere Oberfläche dii gleiche Rotations-Bogenfläche wie in Fig. 3B auf weist. Die flachen Oberflächen des Wandlers 3 ii Form einer Scheibe und der akustischen Linse 5 sini miteinander verklebt oder in einer anderen Weisi verbunden.

Aus denselben, bereits erläuterten Gründen tretei bei dem in Fig. 6 dargestellten Signalgeber Ultra schall-Bündel auf, die auf Grund des Einflusses de akustischen Linse S die gleichen Wellenfronten auf weisen, die auch von dem in den Fig. 3 A und 31 dargestellten Wandler erhalten werden. Daher kam

ein Ultraschallgeber geschaffen werden, der einem Ultraschallgeber entspricht, bei dem ein Wandler vom Ringtyp verwendet wird.

Die in den Fig. 5 und 6 eingezeichneten Pfeile R geben die Richtungen an, in denen die Krümmungsmittelpunkte der entsprechenden akustischen Linsen liegen.

Es wurde experimentell festgestellt, daß die Ultraschallgeber, bei denen die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Wandler verwendet wurden, tatsächlich den Ultraschallgebern entsprechen, bei denen die bekannten Wandler vom Ringtyp benutzt wurden.

In Fig. 7 sind beispielsweise die tatsächlichen Meßdaten eingetragen, die bei einer solchen experimentellen Untersuchung erhalten wurden. Diese Daten erhält man mit einem Ultraschallgeber, bei dem der in Fig. 5 dargestellte Wandler und die ebenfalls in Fig. 5 dargestellte akustische Linse verwendet wurde. Das Experiment wurde auf folgende Weise durchgeführt. Es wurde ein Wandler in Form einer flachen Scheibe benutzt, der Ultraschall mit 2 MHz abgibt. Der Durchmesser dieses Wandlers betrug 20 mm. Der Wandler war aus PZT-Material hergestellt. Auf die Oberfläche des Wandlers war eine akustische Linse aufgeklebt, die einen Durchmesser von 20 mm und für die Bogenfläche einen Krümmungsradius von 5 mm aufwies und aus Acryl-Kunststoff bzw. aus Acryl-Glas hergestellt war. Als Medium wurde Wasserverwendet. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Diagramm ist auf der Abszisse die Entfernung in der Richtung aufgetragen, in der die Ultraschallwellen laufen, und auf der Ordinate ist der Abstand in Querrichtung angegeben. Die kleinen Kreise geben die tatsächlich gemessenen Werte wieder, und eine ausgezogene Linie stellt die theoretisch erhaltene Kurve dar. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, ist die Richtwirkung sehr gut, d. h. die Strahlbündelbreite ist klein und an der Stelle, an der die gestrichelte Linie eingezeichnet ist, wird ein Ultraschallgeber vom Ringtyp erzeugt.

In Fig. 8 ist die konkrete Ausführungsform einer Einrichtung gezeigt, mit der die Richtwirkung des Ultraschallgebers gemessen wurde, bei dem die in Fig. 6 dargestellte Kombination aus dem scheibenförmigen Wandler und der akustischen Linse verwendet wurde. (Der Ultraschallgeber, bei dem die in Fig. 5 dargestellte Kombination vom Wandler und Linse verwendet wurde, und mit der die in Fig. 7 dargestellte Richtwirkung erzielt wurde, war ebenso aufgebaut wie die in Fig. 8 dargestellte Einrichtung, und unterschied sich von dieser nur bezüglich des Wandlers und der Linse.)

In Fig. 8 ist ein Ultraschallgeber 3 für 5 MHz als flache Scheibe dargestellt, der aus PZT-Material hergestellt wurde und einen Durchmesser von 20 mm aufwies. Die Silberelektroden 6 wurden auf die Vorder- und Rückseite des Wandlers 3 aufgebracht. Eine aus Aluminium hergestellte akustische Linse 5 wies die in Fig. 6 dargestellte Form auf und besaß einen Durchmesser von 20 mm und einen Krümmungsradius der Bogenfläche von 26 mm. Eine Auflage 7 wurde aus einem zusammengesetzten Material aus Wolframpulver enthaltendem Vinylchlorid hergestellt. Die Auflage 7, der Wandler 3 und die akustische Linse 5 wurden mittels eines Klebe- bzw. Bindemittels miteinander verklebt und in einem Metallgehäuse 8 untergebracht, wobei die akustische Linse 5 einer offenen Seite des Gehäuses zugewandt ist. Die Auflage 7 ist an der Innenwandung des Gehäuses 8 mit einem Binde- oder Klebemittel 9 angeklebt und befestigt.

Ein Beschichtungsmaterial 10 aus Wolframpulver enthaltendem Epoxyharz ist an der offenen Seite des Gehäuses 8 aufgebracht und füllt den konkaven Teil der akustischen Linse 5 auf, so daß diese eben und {glatt ist. Das genannte Beschichtungsmaterial 10 füllt auch den Zwischenraum zwischen der Linse 5 und dem Gehäuse 8 aus. Leitungsdrähte 11 sind mit den Elektroden 6 des Wandlers 3 verbunden.

In Fig. 9 sind die experimentellen Ergebnisse bei der Messung der Richtwirkung der in Fig. 9 dargestellten Einrichtung in Wasser und bei der Messung der Richtwirkung eines Ultraschallgebers wiedergegeben, bei dem der bekannte Wandler vom Ringtyp verwendet wurde. Auf der Abszisse ist der Abstand vom Wandler und auf der Ordinate die Bündelbreite und die relative Empfindlichkeit aufgetragen. Die Kurven W-3 und W-20 geben die Hauptbündel-Breiten wieder, bei denen sich der Schalldruck um —3 dB bzw. um —20 dB verringert. Eine Kurve S zeigt die relative Empfindlichkeit. Eine Kurve W-3 gibt die Hauptbündel-Breite wieder, bei der der Schalldruck des Ultraschallbündels, das von einem Ultraschallgeber, bei dem der bekannte Wandler vom Ringtyp verwendet wurde, um —3 dB absinkt. Die Kurve 5 gibt die relative Empfindlichkeit des bekannten Schallgebers wieder. Der Wandler vom Ringtyp strahlt Ultraschall von 5 MHz aus, ist mit einem Radius von 10 mm und einer Ringbreite von 1 mm ausgebildet, wobei als Wandlermaterial PZT verwendet wurde.

Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, weist die Hauptbündel-Breite entlang der Achse der in Fig. 8 dargestellten Einrichtung bei Abständen von 5, 10 bzw. 15 cm Werte von 0,9,1,3 bzw. 1,6 mm auf (die Bündelbreite ist durch die Kurve H^-3 wiedergegeben). Die Bündelbreite, die durch die Kurve W-3 in Fig. 9 wiedergegeben ist, zeigt für die Abstände 5,10 bzw. 15 cm Werte von 0,6,0,9 bzw. 1,1 mm. Bezüglich der Strahlbreite ist der erfindungsgemäße Ultraschallgeber etwas schlechter als der bekannte Schallgeber, die Bündelbreite ist bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallg;eber jedoch bei der praktischen Verwendung ausreichend. Die Höhe eines neben der Achse liegenden Nebenmaximas ist bei der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung —40 dB, während die Höhe des Nebenrnaximums bei einem Ultraschallgeber mit dem bekannten Wandler vom Ringtyp —16 dB beträgt, so daß das Nebenmaxima durch die vorliegende Erfindung um V₂₀ verbessert wird. Das bedeutet, daß det erfindungsgemäße Ultraschallgeber mit dem Wandlet vom Flächentyp dadurch verbessert ist, daß die Ultraschallimpulse durch akustische Unterstützung (acoustic backing), mit anderen Worten, durch Verbreitern des Bandes, verkürzt werden. Die Dämpfung über die Breite des Bündels hinweg (spread attenuation) dei akustischen Wellen beträgt bei der in Fig. 8 dargestellten Einrichtung — 1 dB/cm und bei dem Ultraschallgeber mit dem Wandler vom Ringtyp — 2 dB/ cm. Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber, bei dem der Wandler vom Flächentyp verwendet wird, wird die Dämpfung über die Breite des Bündels bei einem Abstand von 20 cm vom Wandler um 20 dB verbessert. Die Verbesserung beruht auf der folgenden Tatsache: Bei einem Wandler vom Ringtyp verbreitern sich die akustischen Wellen sphärisch und der Abstand wirkt sich auf Grund der Verbreiterung di-

rekt auf die Dämpfung der akustischen Wellen aus. Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber mit einem Wandler vom Flächentyp die Verbreiterung zylindrisch, und daher wird die Dämpfung der akustischen Wellen auf Grund der Verbreiterung in Abhängigkeit von der Quadratwurzel des Abstandes beeinflußt.

Wie bereits beschrieben, können mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber, bei dem ein Wandler vom Flächentyp verwendet wird, in zweierlei Hinsicht ι ο Verbesserungen erzielt werden, nämlich hinsichtlich der Nebenmaxima bzw. der Nebenkeulen und der Dämpfung über die Breite des Bündels hinweg. In der Praxis ist der Ultraschallgeber mit einem Wandler vom Ringtyp ohne diese Verbesserungen nicht sinnvoll und nützlich. Durch die vorliegende Erfindung werden Verbesserungen in zweierlei Hinsicht bezüglich der Bündelbreite erzielt und der Ultraschallgeber kann für praktische Zwecke eingesetzt und der praktischen Anwendung angepaßt werden. Auf Grund des erfindungsgemäßen Ultraschallgebers kann ein Ultraschallwandler hergestellt werden, der ein Ultraschallbündel erzeugt, welches im praktischen Falle in einem Bereich von etwa 2,5 cm bis etwa 20 cm durch das Medium läuft.

Auf Grund der Tatsache, daß der Ultraschallgeber bei der vorliegenden Erfindung einen Wandler vom Flächentyp aufweist, lassen sich darüber hinaus mit der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen zeitigen. Beim erfindungsgemäßen Ultraschallgeber. wird die gesamte Fläche des Wandlers vom Flächentyp zur Erzeugung von Ultraschall verwendet, und die Ultraschallwellen können um die Achse des Wandlers herum in einem Zylinder zusammengehalten werden, der durch den Durchmesser des Wandlers festgelegt ist, und zwar über die gesamte Entfernung, wenn dies erforderlich ist, so daß die Dämpfung des Schalldrucks über die Breite hinweg beim Ultraschallbündel wesentlich verringert werden kann, als dies bei einem Wandler vom Ringtyp möglich ist. Da der Wandler flächenhaft ist, ist auch die Berührungsfläche mit einem Medium groß, so daß Strahlstörungen, die auf Grund einer schlechten Berührung von Medium und Wandlerfläche auftreten, verringert werden können. Wenn der konkave oder konvexe Wandler als Wandler vom Flächentyp verwendet wird, wird die Breite des Ultraschallbündels durch das Verhältnis zwischen der akustischen Welle und dem Durchmesser des Ringes festgelegt, der durch den geometrischen Ort der Krümmungsmittelpunkte der Fläche definiert ist; die Breite des Ultraschallbündels ist daher nicht direkt vom Durchmesser des Wandlers selbst abhängig, so daß die Bündelbreite durch Änderung der Bogenkrümmung am .konkaven oder konvexen Wandler varriert werdentkann.

Bei der Beschreibung der Erfindung wurde bis jetzt nur von einem Bogen bzw. von einem Kreisbogen gesprochen, mit dem die entsprechenden Flächen versehen sind. Entsprechende Wirkungen können selbstverständlich auch dadurch erzielt werden, daß gekrümmte Oberflächen, die einem Bogen oder Kreisbogen ähnlich sind, beispielsweise parabolische oder elliptische Flächen verwendet werden.

Darüber hinaus brauchen die paarweise angeordneten Bögen nicht identisch ausgebildet zu sein, sie können auch aus mehreren Bogenflächen mit unterschiedlichen Krümmungsradien bestehen. Beispielsweise ist in Fig. löA ein konvexer Wandler dargestellt, bei dem jede der paarweisen Bogenflächen aus mehreren Bogenteilen besteht. Bei dem in Fig. 1OB dargestellten Wandler werden ähnliche Bogenteile verwendet. In diesen Figuren sind die unterschiedlichen Krümmungsradien mit den Bezugszeichen R₁ und R₂ versehen.

Der Ultraschallgeber ist bei den beschriebenen Ausführungsformen mit dem Wandler vom Flächentyp versehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Ähnliche Ultraschallgeber können auch dadurch hergestellt werden, daß ein Wandler vom Flächentyp (ein Wandler in Form einer flachen Scheibe) durch Verwendung von Wandlergruppen aufgebaut ist, bei denen die bekannten Wandler vom Ringtyp konzentrisch angeordnet sind. Die Ultraschallwellen werden von den Teilwandlern mit vorgegebenen Zeitverzögerungen erzeugt.

In Fig. 11 ist eine Ausführungsform für einen Ultraschallgeber dargestellt, der aus einer Gruppe von Wandlern aufgebaut ist, wobei die Wandler vom Ringtyp konzentrisch angeordnet sind. Die konzentrisch angeordneten Wandler vom Ringtyp sind mit den Bezugszeichen A₁-A₆ versehen, und die Wandler sind in der Reihenfolge /?,, R₂, R₃ ... und A₆ von außen nach innen angeordnet. Auf der einen Seite jedes Wandlers ist für jeden Wandler eine eigene Elektrode E angebracht, während auf der anderen Seite der Wandler eine gemeinsame Elektrode E_R liegt. Die Elektrode E_R liegt an Masse. Die Schaltung weist weiterhin einen Taktimpulsgenerator 21, einen Impulsgenerator 22, ein Schieberegister 23, einen Signalauswahlschalter 24, Verstärker 26-1 bis 26-3, Verzögerungsschaltungen 27-1 bis 27-3 und eine Summierstufe 28 auf.

In dieser Schaltungsanordnung gelangt ein vom Impulsgenerator 22 erzeugtes Impulssignal als Eingangssignal an das Schieberegister 23. Mittels der vom Taktimpulsgenerator 21 bereitgestellten Taktimpulse wird das Impulssignal in Impulssignale mit vorgegebener Zeitverzögerung umgesetzt, und diese Impulssignale werden an den Ausgängen des Schieberegisters 23 bereitgestellt. Diese an den Ausgängen des Schieberegisters 23 auftretenden Impulssignale werden vom Signalauswahlschalter 24 der Gruppe von Wandlern vom Ringtyp zugeleitet. Wenn beispielsweise die Gruppen von ringförmigen Wandlern A₁-A₆, R₂-R₅ und R₃-R₄ mit Zeitverzögerungen in der genannten Reihenfolge angesteuert werden, so arbeitet diese Ausführungsform auf Grund der Zeitverzögerungen so, als ob eine akustische Linse vorhanden ist, und die erzeugten Wellenfronten entsprechend den Wellenfronten, wie sie von dem in Fig. 5 dargestellten und von dem in Fig. 2 A dargestellten Wandler erzeugt werden. Beim Empfang sind die reflektierten Wellen, die auf die entsprechenden Wandler auffallen, ebene Wellen. Die reflektierten Wellen können daher dadurch wiedergewonnen werden, daß die von den jeweiligen Wandlern erzeugten Signale durch Verstärker 26-1,26-2 und 26-3 verstärkt, die verstärkten Signale mit den Verzögerungsschaltungen 27-1, 27-2 und 27-3 um die Zeitverzögerungen verzögert, und die am Ausgang der Verzögerungsschaltungen bereitgestellten Signale von der Summierstufe 28 summiert werden. Die wiedergewonnenen Wellen können durch bekannte Aufzeichnungseinrichtungen, beispielsweise mit Braunschen Röhren dargestellt werden.

Wie bereits beschrieben, ist es mit der vorliegenden

Erfindung möglich, die Erfordernisse, die an Ultra- »challgeräte für die Diagnostik gestellt werden, zu erüllen, d. h. ein dünnes Ultraschall-Strahlenbündel jbereine vergleichsweise große Entfernung bzw. Ein-Jringtiefe zu bilden.

Der hier beschriebene Ultraschallwandler ist jedoch auch auf anderen Gebieten als der Diagnostik, beispielsweise bei der akustischen Holographic und bei der Entwicklung von Ultraschall-Meßsystemen, anwendbar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallwandler mit einer Ultraschallwellen abstrahlenden oder aufnehmenden im wesentlichen kontinuierlichen Fläche, bei der der geometrische Ort der Konvergenzpunkte der Ultraschallwellen einen Bogen bilden, dadurch gekennzeichnet,daß die Fläche so gestaltet ist, daß sie die Ultraschallwellen in einer Vorzugsrichtung bündelt, und daß der geometrische Ort der Konvergenzpunkte ein Vollkreis ist, der in einer zu der Vorzugsrichtung senkrechten Ebene liegt.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Fläche des Wandlers vom Flächentyp ein Rotationskörper ist, der zwei etwa kreisbogenförmig gekrümmte Flächen aufweist, wooei die Konvergenzpunkte jeweils mit den Krümmungsmittelpunkten (A, A'\ B, B') zusammenfallen und ein Abschnitt einer Achse (1-1') dieser Flächenform ein Paar Rotationsebenen bilden, die aus diesen zwei gekrümmten Flächen bestehen.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche eine konkave Kreisbogenfläche ist (Fig. 2).

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche eine konvexe Kreisbogenfläche ist (Fig. 3).

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler vom Flächentyp ein ebener Ultraschallwandler (3) ist und eine akustische Linse (4, 5) auf eine flache Fläche des ebenen Wandlers (3) aufgeklebt ist, wobei die akustische Linse (4, S) als Rotationskörper geformt ist, der zwei etwa kreisbogenförmig gekrümmte Flächen aufweist, bei denen die Konvergenzpunkte jeweils mit den Krümmungsmittelpunkten zusammenfallen und ein Abschnitt der Achse dieser Linsen (4, S) ein Paar Rotationsebenen bildet, die aus diesen gekrümmten Flächen bestehen (Fig. 5, 6).

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche eine konkave Kreisbogenfläche ist (Fig. 5).

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche eine konvexe Kreisbogenfläche ist (Fig. 6).

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche von mehreren konzentrischen, gegeneinander isolierten und mit unterschiedlichen Phasen ausgesteuerten Ringflächen gebildet ist (Fig. 11).